git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/lpc.c

   1 /*
   2  * LPC utility code
   3  * Copyright (c) 2006  Justin Ruggles <justin.ruggles@gmail.com>
   4  *
   5  * This file is part of Libav.
   6  *
   7  * Libav is free software; you can redistribute it and/or
   8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   9  * License as published by the Free Software Foundation; either
  10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  11  *
  12  * Libav is distributed in the hope that it will be useful,
  13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  15  * Lesser General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  18  * License along with Libav; if not, write to the Free Software
  19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  20  */
  21
  22 #include "libavutil/common.h"
  23 #include "libavutil/lls.h"
  24
  25 #define LPC_USE_DOUBLE
  26 #include "lpc.h"
  27
  28
  29 /**
  30  * Apply Welch window function to audio block
  31  */
  32 static void lpc_apply_welch_window_c(const int32_t *data, int len,
  33                                      double *w_data)
  34 {
  35     int i, n2;
  36     double w;
  37     double c;
  38
  39     /* The optimization in commit fa4ed8c does not support odd len.
  40      * If someone wants odd len extend that change. */
  41     assert(!(len & 1));
  42
  43     n2 = (len >> 1);
  44     c = 2.0 / (len - 1.0);
  45
  46     w_data+=n2;
  47       data+=n2;
  48     for(i=0; i<n2; i++) {
  49         w = c - n2 + i;
  50         w = 1.0 - (w * w);
  51         w_data[-i-1] = data[-i-1] * w;
  52         w_data[+i  ] = data[+i  ] * w;
  53     }
  54 }
  55
  56 /**
  57  * Calculate autocorrelation data from audio samples
  58  * A Welch window function is applied before calculation.
  59  */
  60 static void lpc_compute_autocorr_c(const double *data, int len, int lag,
  61                                    double *autoc)
  62 {
  63     int i, j;
  64
  65     for(j=0; j<lag; j+=2){
  66         double sum0 = 1.0, sum1 = 1.0;
  67         for(i=j; i<len; i++){
  68             sum0 += data[i] * data[i-j];
  69             sum1 += data[i] * data[i-j-1];
  70         }
  71         autoc[j  ] = sum0;
  72         autoc[j+1] = sum1;
  73     }
  74
  75     if(j==lag){
  76         double sum = 1.0;
  77         for(i=j-1; i<len; i+=2){
  78             sum += data[i  ] * data[i-j  ]
  79                  + data[i+1] * data[i-j+1];
  80         }
  81         autoc[j] = sum;
  82     }
  83 }
  84
  85 /**
  86  * Quantize LPC coefficients
  87  */
  88 static void quantize_lpc_coefs(double *lpc_in, int order, int precision,
  89                                int32_t *lpc_out, int *shift, int max_shift, int zero_shift)
  90 {
  91     int i;
  92     double cmax, error;
  93     int32_t qmax;
  94     int sh;
  95
  96     /* define maximum levels */
  97     qmax = (1 << (precision - 1)) - 1;
  98
  99     /* find maximum coefficient value */
 100     cmax = 0.0;
 101     for(i=0; i<order; i++) {
 102         cmax= FFMAX(cmax, fabs(lpc_in[i]));
 103     }
 104
 105     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
 106     if(cmax * (1 << max_shift) < 1.0) {
 107         *shift = zero_shift;
 108         memset(lpc_out, 0, sizeof(int32_t) * order);
 109         return;
 110     }
 111
 112     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
 113     sh = max_shift;
 114     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > 0)) {
 115         sh--;
 116     }
 117
 118     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
 119        coefficients instead */
 120     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
 121         double scale = ((double)qmax) / cmax;
 122         for(i=0; i<order; i++) {
 123             lpc_in[i] *= scale;
 124         }
 125     }
 126
 127     /* output quantized coefficients and level shift */
 128     error=0;
 129     for(i=0; i<order; i++) {
 130         error -= lpc_in[i] * (1 << sh);
 131         lpc_out[i] = av_clip(lrintf(error), -qmax, qmax);
 132         error -= lpc_out[i];
 133     }
 134     *shift = sh;
 135 }
 136
 137 static int estimate_best_order(double *ref, int min_order, int max_order)
 138 {
 139     int i, est;
 140
 141     est = min_order;
 142     for(i=max_order-1; i>=min_order-1; i--) {
 143         if(ref[i] > 0.10) {
 144             est = i+1;
 145             break;
 146         }
 147     }
 148     return est;
 149 }
 150
 151 int ff_lpc_calc_ref_coefs(LPCContext *s,
 152                           const int32_t *samples, int order, double *ref)
 153 {
 154     double autoc[MAX_LPC_ORDER + 1];
 155
 156     s->lpc_apply_welch_window(samples, s->blocksize, s->windowed_samples);
 157     s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, s->blocksize, order, autoc);
 158     compute_ref_coefs(autoc, order, ref, NULL);
 159
 160     return order;
 161 }
 162
 163 /**
 164  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
 165  *
 166  * @param lpc_type LPC method for determining coefficients,
 167  *                 see #FFLPCType for details
 168  */
 169 int ff_lpc_calc_coefs(LPCContext *s,
 170                       const int32_t *samples, int blocksize, int min_order,
 171                       int max_order, int precision,
 172                       int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER], int *shift,
 173                       enum FFLPCType lpc_type, int lpc_passes,
 174                       int omethod, int max_shift, int zero_shift)
 175 {
 176     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
 177     double ref[MAX_LPC_ORDER];
 178     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
 179     int i, j, pass;
 180     int opt_order;
 181
 182     assert(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER &&
 183            lpc_type > FF_LPC_TYPE_FIXED);
 184
 185     /* reinit LPC context if parameters have changed */
 186     if (blocksize != s->blocksize || max_order != s->max_order ||
 187         lpc_type  != s->lpc_type) {
 188         ff_lpc_end(s);
 189         ff_lpc_init(s, blocksize, max_order, lpc_type);
 190     }
 191
 192     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON) {
 193         s->lpc_apply_welch_window(samples, blocksize, s->windowed_samples);
 194
 195         s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, blocksize, max_order, autoc);
 196
 197         compute_lpc_coefs(autoc, max_order, &lpc[0][0], MAX_LPC_ORDER, 0, 1);
 198
 199         for(i=0; i<max_order; i++)
 200             ref[i] = fabs(lpc[i][i]);
 201     } else if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY) {
 202         LLSModel m[2];
 203         double var[MAX_LPC_ORDER+1], av_uninit(weight);
 204
 205         for(pass=0; pass<lpc_passes; pass++){
 206             av_init_lls(&m[pass&1], max_order);
 207
 208             weight=0;
 209             for(i=max_order; i<blocksize; i++){
 210                 for(j=0; j<=max_order; j++)
 211                     var[j]= samples[i-j];
 212
 213                 if(pass){
 214                     double eval, inv, rinv;
 215                     eval= av_evaluate_lls(&m[(pass-1)&1], var+1, max_order-1);
 216                     eval= (512>>pass) + fabs(eval - var[0]);
 217                     inv = 1/eval;
 218                     rinv = sqrt(inv);
 219                     for(j=0; j<=max_order; j++)
 220                         var[j] *= rinv;
 221                     weight += inv;
 222                 }else
 223                     weight++;
 224
 225                 av_update_lls(&m[pass&1], var, 1.0);
 226             }
 227             av_solve_lls(&m[pass&1], 0.001, 0);
 228         }
 229
 230         for(i=0; i<max_order; i++){
 231             for(j=0; j<max_order; j++)
 232                 lpc[i][j]=-m[(pass-1)&1].coeff[i][j];
 233             ref[i]= sqrt(m[(pass-1)&1].variance[i] / weight) * (blocksize - max_order) / 4000;
 234         }
 235         for(i=max_order-1; i>0; i--)
 236             ref[i] = ref[i-1] - ref[i];
 237     }
 238     opt_order = max_order;
 239
 240     if(omethod == ORDER_METHOD_EST) {
 241         opt_order = estimate_best_order(ref, min_order, max_order);
 242         i = opt_order-1;
 243         quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
 244     } else {
 245         for(i=min_order-1; i<max_order; i++) {
 246             quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
 247         }
 248     }
 249
 250     return opt_order;
 251 }
 252
 253 av_cold int ff_lpc_init(LPCContext *s, int blocksize, int max_order,
 254                         enum FFLPCType lpc_type)
 255 {
 256     s->blocksize = blocksize;
 257     s->max_order = max_order;
 258     s->lpc_type  = lpc_type;
 259
 260     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON) {
 261         s->windowed_buffer = av_mallocz((blocksize + 2 + FFALIGN(max_order, 4)) *
 262                                         sizeof(*s->windowed_samples));
 263         if (!s->windowed_buffer)
 264             return AVERROR(ENOMEM);
 265         s->windowed_samples = s->windowed_buffer + FFALIGN(max_order, 4);
 266     } else {
 267         s->windowed_samples = NULL;
 268     }
 269
 270     s->lpc_apply_welch_window = lpc_apply_welch_window_c;
 271     s->lpc_compute_autocorr   = lpc_compute_autocorr_c;
 272
 273     if (ARCH_X86)
 274         ff_lpc_init_x86(s);
 275
 276     return 0;
 277 }
 278
 279 av_cold void ff_lpc_end(LPCContext *s)
 280 {
 281     av_freep(&s->windowed_buffer);
 282 }